Direkter Nachweis aktiver Zentren in Gold-Katalysatoren

27.02.2020

Direkter Nachweis aktiver Zentren in Gold-Katalysatoren

Kombination von operando IR-Spektroskopie mit Theorie

Nachweis isolierter Au+-Zentren während der CO-Oxidation über getragenen Gold-Katalysatoren. Abbildung: AK Hess / TU Darmstadt
Nachweis isolierter Au+-Zentren während der CO-Oxidation über getragenen Gold-Katalysatoren. Abbildung: AK Hess / TU Darmstadt

Während Gold allgemein als reaktionsträge angesehen wird, weist nanopartikuläres Gold eine hohe katalytische Aktivität für Reaktionen bei niedrigen Temperaturen auf und ermöglicht sogar die Oxidation von Kohlenmonoxid unterhalb Raumtemperatur. Seit der Entdeckung hat sich die Gold-Katalyse zu einem eigenständigen und intensiv beforschten Feld der Katalyse entwickelt. Umso erstaunlicher ist es, dass grundlegende Aspekte der Funktionsweise solch getragener Gold-Katalysatoren bisher noch nicht aufgeklärt werden konnte. So wurden z.B. für Gold-Katalysatoren auf Basis von Cerdioxid-Trägern in der Literatur einerseits metallisches Gold, andererseits kationisches Gold als Aktivzentren vorgeschlagen; zudem wird die Nuklearität des Aktivzentrums kontrovers diskutiert. Zur Klärung dieser Fragen gelang es den Physikochemikern Dr. Christian Schilling, Marc Ziemba und Prof. Dr. Christian Hess vom Eduard-Zintl-Institut der TU Darmstadt in Zusammenarbeit mit Dr. Verónica Ganduglia-Pirovano vom CSIC in Madrid vor Kurzem, einen direkten Zugang zum Nachweis und der strukturellen Identifizierung aktiver Zentren in Gold/Cerdioxid-Katalysatoren zu erhalten, indem sie die operando-Infrarot-Spektroskopie, d.h. die Anwendung von Schwingungs-Spektroskopie unter Betriebsbedingungen des Katalysators, mit modernen DFT-Rechnungen kombinierten.

Bei der Analyse von Gold/Cerdioxid-Katalysatoren während der Oxidation von Kohlenmonoxid werden als aktive Zentren für die Reaktion isolierte Au+-Zentren identifiziert, welches zusammen mit Sauerstoff des Cerdioxid-Trägers (Olattice) sowie dem Reaktanden Kohlenmonoxid Olattice–Au+–CO-Spezies bilden (siehe Abbildung). Die Erzeugung und Charakterisierung solch isolierter aktiver Zentren (“single active sites”) stellt ein spannendes Forschungsgebiet dar, da sie es ermöglichen, den Verbrauch an Edelmetallen in Katalysatoren zu minimieren. Interessanterweise können die isolierten Au+-Zentrum auf Gold/Cerdioxid-Katalysatoren, wie die operando-Infrarot-Spektroskopie zeigt, unter Reaktionsbedingungen nach Adsorption von Kohlenmonoxid in einem dynamischen Prozess gebildet werden, und zwar unabhängig von der Vorbehandlung des Katalysators. Die Ergebnisse unterstreichen daher einerseits die strukturelle Dynamik von Katalysatoren, andererseits die Notwendigkeit von operando-Methoden, welche die Veränderungen von Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen sichtbar machen können.

Weitere Informationen:

Christian Schilling, Marc Ziemba, Christian Hess, M. Verónica Ganduglia-Pirovano, J. Catal. 383 (2020), 264-272

Arbeitsgruppe Prof. Hess

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